自动换刀系统设计(含3张CAD图).doc

精品文档实验室用自动换刀装置的设计摘 要如今数控技术已经是当今社会制造业的主导技术，数控技术大力发展同时教学资源也得到了提升，研究教学用装置模型已是必不可少的，将装置的模型在课堂上展示能更好地体现真实性，但是现在实验室模型技术不够完善。其中实验室用自动换刀装置主要是为教学提供，可以真实的体现在数控机床上，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。随着数控机床的普及运用，加工机械的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置，能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。加工中心的关键在于CNC对刀库的自动选刀和刀库、机械手与主轴间自动换刀。本课题就是对实验室用自动换刀装置进行设计，利用PLC对刀库的选刀控制和刀库、机械手与主轴间的自动换刀控制。实验室用自动换刀装置不仅能方便的为教学提供模拟仪器，更能让研究者对换刀装置的深入了解，从而对装置的研究与开发。关键词 实验室用教学用具，主轴刀库系统，自动换刀功能。目 录摘 要.I1 绪论.11.1 课题背景.11.2 研究的主要内容.12 自动换刀系统机械部分设计.32.1刀座的设计.3 2.1.1 刀座基本形状及尺寸的确定.3 2.1.2 刀座强度的校核.62.2 刀盘主要尺寸的确定.72.3 传动齿轮的设计.82.4 刀架主轴的设计.82.4.1 初步确定轴的最小直径.82.4.2 轴的结构设计.92.4.3 校核键的强度.112.5 共轭分度凸轮机构基本参数的确定.112.5.1 共轭分度凸轮的介绍.112.5.2 主要运动参数的选择.122.5.3 主要几何尺寸的确定.122.6 端齿盘的选择.122.6.1 端齿盘的介绍.132.6.2 端齿盘的特点.132.6.3 端齿盘主要参数的设计计算.132.6.4 螺栓组强度校核.172.5 润滑剂的选择.202.51 对压力油的要求.205 结论.39参考文献.40致谢.411 绪论1.1课题背景随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在8180把之间刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀(新刀)与主轴上的刀(旧刀)的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竟相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。1956年，日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期研制成功了“APT(刀具程序控制装置)的加工中心。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装自动换刀装置及其控制的研究。1967年出现了FMS，1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置可实现多工序加工的机床步入了机床发展的黄金时代。中国1958年研制出第一台数控机床以来，发展过程大致可分为两大阶段在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从美、日、德等引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年问，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训了一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进零部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；零部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。 20 世纪90 年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展, 数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用, 它能缩短产品的制造周期, 提高产品的加工精度, 适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备, 由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用, 其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。换刀装置作为加工中心的重要组成部分, 其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间, 提高生产率, 降低生产成本, 进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置, 其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂, 动作多, 动作间的相互协调关系多, 因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在8180把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂，摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或液机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。在国内外数控技术如火如荼的发展中，换刀技术的发展也得到了大大的提升，实验室用的数控装置模型却发展缓慢，不能为教学提供更加便利的试验模型。其中实验使用自动换刀装置的研究可以满足教学使用，能真实的体现数控机床换刀装置的特点。1.2 研究的主要内容本课题主要研究为教学使用的实验室用自动换刀装置的设计，该装置为主轴刀库系统，可实现自动换刀功能。实验室用自动换刀装置可以真实的体现数控机床的换刀装置，提供一种为教学使用，具有体积小、重量轻、强度高、可拆卸、仿真性能好、使用安全可靠。考虑以下几方面的问题。第一、刀架形式，根据本课题要求的换刀数为8把刀，所以选择圆盘式刀架。第二、刀具的安装方式，选择刀座安装刀具的方式，因为刀座安装方式既可以方便的安装车刀又可以将钻头或丝锥等其它刀具安装在上面从而扩大了车床的用途。第三、定位装置的选择，定位装置是保证自动换刀系统加工精度的重要零件，所以选用定位精度相对较高的端齿盘进行重复定位，进而保证其重复定位精度。第四、分度装置的确定，传统的圆柱分度装置精度低、换刀速度不能太快，解决方案采用分度精度较高的平板凸轮机构，可以很好解决这个问题。第五、检测装置，使用检测精度较高的接近开关组。接近开关价格比较便宜，并且容易更换，从而降低自动换刀系统的造价。控制系统选择PLC进行控制，因为可编程序控制器是一种面向生产过程控制的数字电子装置，它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等特点。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。2 自动换刀系统机械部分设计本次设计的对象为实验室用自动换刀装置。自动换刀装置的主要性能指标为：1） 刀库容量：8把。2） 刀柄型号：ISO50。3） 最大刀具质量：16kg。4） 最大刀具直径:mm。5） 最大刀具长度：400mm。6） 最大刀具（相邻是空位）：mm。7） 刀库选刀的时间：s。8） 换刀时间（刀对刀）：s。2.1 刀座的设计2.1.1 刀座基本形状及尺寸的确定 根据所选机床的型号，查刀具手册选择刀具的尺寸，从而确定刀座的尺寸。由于本设计选择的车床型号为CK6136。其主要参数如下：车床型号 CK6136最大加工直径 360主轴转速 主电机功率5.5Z轴最大行程750Z向快速移运速度X轴最大行程200X向快速移运速度最大刀具尺寸 为了满足刀座的的刚度要求，所以选择合金钢作为刀座材料。由以上参数可知此型号车床为中小型车床，其切削力及最大加工直径均不大，所以选择刀具材料为硬质合金，其基本尺寸为：刀具宽度和高度均为20，其长刀杆的长度为125，短刀杆的长度为80。根据刀具安装及其尺寸确定刀座的基本形状尺寸如下：图2.1 刀具的结构示意图 2.1.2 刀座强度的校核 切削力的计算要进行刀具强度的计算必须先计算出切削力，要计算切削力就要先确定工件的材料、刀具的几何参数及切削要素。由于车床在切削时主要加工的是钢件和铸铁，所以在计算切削力时选择具有代表性的45钢作为计算的依据。在计算最大切削力时，应以粗加工时作为计算依据。粗加工时主要影响切削力的刀具几何参数根据13查得如下：主偏角 前 角 刃倾角 切削要素的确定，根据13及所选车床的主要性能确定粗加工的切削要素。切削要素如下：背吃刀量 进 给 量切削速度 由切削力的计算公式5 式(2.1)5 式(2.2)5 式(2.3)根据以上参数查得相应的系数代入公式得 对刀座进行受力分析对刀座进行受力分析，切削力最大且对刀座的影响最大，所以在对刀座进行受力分析时主要考虑切削力。受力分析如下： 图2.2 刀座受力分析图根据材料力学可知其受力可以简化如下： 图2.3 刀座受力简图根据上图计算如下：根据计算刀座上线性分布的载荷如下： 强度计算根据计算刀座强度，由刀座的尺寸及受力可知刀座的下部是危险截面，所以只需对下部进行强度校核。由于在进行受力分析的时候只考虑了切削力，所以受力分析不够准确，为此在计算刀座强度时取一安全系数。强度计算如下：所以刀座强度服合要求对刀座安装在刀盘上的圆柱形齿条进行强度校核8 式(2.4)强度服合要求2.2 刀盘的主要尺寸的确定根据所选机床的型号，查3选择刀具的尺寸，从而确定刀盘的尺寸。由于本设计选择的车床型号为CK6136，此型号车床为中小型车床，其切削力及最大加工直径均不大，所以选择刀具的基本尺寸为：刀具宽度和高度均为20，其长刀杆的长度为125，短刀杆的长度为80。由于本设计的刀具数量为8把刀，所以选择卧式的自动换刀结构，采用刀盘夹持刀具。由于是选用刀座安装刀具，考虑到刀具安装时不发生干涉，确定刀盘的直径为300，考虑刀盘的强度及安装刀座的情况，确定刀盘的厚度为60。刀座是通过刀座上面的齿条由螺栓和锥形圆柱齿安装在刀盘上面。由于圆柱型齿条直径为30，所以必须在刀盘上设计相应的安装刀座的圆孔，根据经验确定圆孔中心所在的直径为240，其上均布8个圆孔用于安装刀座。固定刀座的锥形圆柱齿的直径略小于齿条为28，锥形圆柱齿用沉头螺钉紧固在刀盘上，根据经验选择M8的螺钉，所以需要在刀盘上钻相应螺纹孔，为了保证在装刀的时候每次锥形圆柱齿都能与刀座很好的配合，在打螺纹联结孔时形成一个偏心，偏心距为3，这样就可以保证每次装刀的时候锥形圆柱齿都能安装在固定的位置，从而保证刀具的安装精度。 图2.4 刀盘结构示意图2.3 传动齿轮基本参数的确定 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。自动换刀系统是精密的工作部件、是数控机床加工精度的重保证，速度较高，故选用6级精度。查3中189页表10-1。小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮的材料选用45钢（调质）硬度为240HBS，其材料硬度相差40HBS。由于较多的齿数有利于传动的平稳性、并且充分考虑自动换刀系统的体积，所以取小齿轮齿数 =40，大齿轮齿数。 由于本传动齿轮主要是传递的运动而承受的载荷比较小，所以选择齿轮的模数为标准模数。所以小齿轮的主要参数：分度圆直径为齿顶圆直径为齿根圆直径为大齿轮Z2的主要参数：分度圆直径为齿顶圆直径为齿根圆直径为 经过计算可得：齿距为齿厚为两齿轮的中心距为由6第201页知金属切削机床的齿轮传动，传递的功率不大时，齿宽系数可小到0.2。由于本齿轮主要是传递运动、且为了使换刀系统结构更加紧凑，所以取大齿轮的齿宽系数为，所以大齿轮的齿宽为。小齿轮的宽度通常比大齿轮的宽度大几毫米，所以取小齿轮的宽度为35。由于换刀系统在换刀的时候要抬刀才能实现换刀，所以必须设计相应的结构。本设计采用轴轴向移动而齿轮不产生轴向移动的方式，采用导向键导向的结构，这样对轴的摩擦相对较小，有利于提高轴的使用寿命。由于齿轮传递的主要是运动而不是力所以不而需要进行强度校核。24 刀架主轴的设计由于主轴不承受切削力、只承受换刀时产生的惯性力所以对主轴的强度要求不高。只需计算出轴的最小截面，然后根据轴的结构进行设计，不需要进行强度校核。2.4.1 初步确定轴的最小直径首先选取轴的材料为45钢，调质处理。产生转动惯量的主要是刀盘，根据工式。根据手册查得钢的密度为，刀盘的质量由公式。所以刀盘的转动惯量。由于在分析转动惯量的时候没有考虑轴本身及轴上零件等因素，所以要取一安全系数。由此产生的转矩，由马达的基本参数知其加速度为，主轴的加速度为马达的二分之一即得转矩。根据最小直径工式得：6 式(2.5)主轴的最小直径显然是安传动齿轮处轴的直径（如图2.5）。 图2.5 主轴结构示意图综合考虑换刀系统的结构取其最小轴的直径为。由于轴的最小直径为，所以最小直径取强度足以满足要求。轴的长度根据齿轮的尺寸及换刀系统的要求，取。2.4.2 轴的结构设计 根据轴向定位和结构的要求确定轴的各段直径和长度1）67轴段需安装齿轮，由于轴需要轴向运动,所以齿轮不需要进行轴向定位。左端轴即轴的直径根据经验取为，其长度由主轴的结构决定，其长度确定为。2）尺寸的确定。的直径为，考虑到其右端用螺母定位，初步选择其直径为左右，为了使所选的轴直径与轴承的孔径相适应，故应先确定轴承，由于刀盘产生的转矩主要集中在此，所以轴承受的力较大且轴要求能实现轴向运动，所以轴3-4处采用一对推力轴承和滚针轴承。产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的推力轴承51108，其尺寸为 。所以安装轴承处的直径为轴承的内径取，所以处的直径取。轴的左端采用轴肩定位，轴肩高度一般取，为与零件相配处的轴的直径，所以取轴肩的高度为。定位，所以可以确定直径为，其长度根据经验取。其右端采用套筒加螺母定位。根据定位要求，选择小螺母的规格为，其尺寸为。所以的直径取，为了防止螺母的松动，采用双螺母定位，所以轴的长度应大于2倍螺母的宽度，取其长度为。由于要加工螺纹，所以在4-5轴的左端要加工退刀槽，退刀槽的尺寸为。3）轴的尺寸的确定 与刀盘的联结采用普通螺栓联结，综合考虑刀盘的尺寸及轴所承受的力确定其基本尺寸直径、长度。安装螺栓的螺纹孔加工在直径为处。初步确定螺栓的公称直径为M6，所以要加工的螺纹孔的直径为。4）轴的尺寸的确定 根据轴的直径确定其直径，其直径确定为，接近开关的尺寸及轴轴向位移又决定了套筒的长度，接近开关的直径为、轴的轴向位移为，综合考虑取分度检测套筒的长度为。其轴向定位采用套筒定位，所以轴应比套筒的长度短一些，取其长度为取。6）尺寸的确定 8-9轴的主要作用是加套筒对左端的分度检测装置起轴向定位作用和安装检测刀架是否抬起的装置。其轴的直径为，其长度为。其右端采用螺母定位，根据的直径选择螺母的规格为，其基本尺寸为。所以的直径为，为了防止螺母的松动，采用双螺母定位，所以其长度应大于2倍螺母的宽度，取，由于要在轴上加工螺纹所以要在轴的左端加工退刀槽，其尺寸为。至此，已初步确定了轴的各段直径和长度(详细尺寸见零件图)。 轴上零件的周向定位齿轮和分度检测套筒轴向定位均采用键联接。 用A型平键，由14查得A型平键截面（GB109679）。由于轴要轴向移动，所以键不仅要起周向定位的作用、还要起导向的作用，所以键的长度应该尽可能取得长一些，综合考虑相应轴的尺寸取其长度为，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对称中性，故选取齿轮轮毂与轴的配合为；同样，分度检测套筒与轴的联接，选用A型平键为 （GB109679），键长为。分度检测套筒轴与轴的配合为。 确定轴上圆角和倒角尺寸参考4152，除安装齿轮右端的倒角为，其余轴端倒角均为。2.4.3 校核键的强度由于主轴上只有的键才承受转矩，所以只需对其进行强度校核据3103页公式61及104页表62得联接齿轮键的强度校核符合强度要求。2.5 共轭分度凸轮机构基本参数的确定2.5.1 共轭分度凸轮的介绍共轭分度凸轮机构用于两平行轴间的间歇运动。要求在运动过程中不能有冲击，旋转时不颤抖，而且定位要准确可靠。在保证使用性能的前提下，要合理提高间歇运动的转速，发挥设备效能，提高生产效率。比较目前应用的各分度机构的优缺点：槽轮机构与凸轮机构运动冲击力大，弧面分度凸轮机构加工难度大、成本高；共轭分度凸轮机构定位准确、转动平稳，经过分析确定选用共轭分度凸轮作为实现准确分度的主机构。主动凸轮由前后两片盘形凸轮组成，这两片凸轮在制造时轮廓形状完全相同，安装时使前后再片成镜像对称，错开一定的相位角。从动端为装着两排滚子的从动盘，如图2.6所示，前排的滚子和凸轮轮廓线表示，后排的滚子和凸轮用虚线表示。在一个运动周期中，每个凸轮都要依次推动若干个滚子，一段接一段推动相应的滚子完成各自的角位移，因此每个凸轮轮廓曲线都是由几段曲线组合而成的。 图2.6 共轭分度凸轮机构运动示意图2.5.2 共轭分度凸轮主要运动参数的选择计算17名称 单位 选择计算及说明凸轮转速 100 凸轮连续转动转盘转一周停歇次数根据分度需要选择机构头数选择转盘滚子数 根据转位的角度取凸轮分度期转位角 根据停歇时间尽量大的特点，选择凸轮停歇期转位角 凸轮角位移 一般以凸轮分度期转角开始处作为转盘分度期转位角 工作特性系数2.5.3 共轭分度凸轮主要几何尺寸确定 中心距的确定：根据齿轮箱结构实际情况选择。 转盘的节圆半径的确定：先按结构条件选定，按14中图4-2-84查得能形成凸轮轮廓线的现，故知可用。再, ，按14中图4-2-85查得不会发生自交现象的，现在，故知合格。又，14中图4-2-86查得，在许用范围内，故知可用。 转盘的基准起始位置角，是转盘上滚子中心与转盘轴心间的径向连线与中心距连线这间的夹角。 凸轮的基准起始向径，是转盘在基准位置处的凸分轮理论轮廓线向径。 凸轮的基准起始位置角，是与相对应的凸轮基准起始向径与中心距连心线这间的夹角。 凸轮的基圆半径的确定：。 子半径的确定：，取，可满足要求。 滚子宽度的确定：，选。 前后两片凸轮的安装相位角，是前后两片凸轮在安装时基准起始向径之间的夹角。2.6 端齿盘的选择2.6.1 端齿盘的介绍端齿盘又称多齿盘、细牙盘、鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用于加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机构以及其它需要分度的各种设备上。如数控车床中多工位自动回转刀架、铣床及加工中心用的回转工作台及其它分度装置中都采用端齿盘作为精确定位元件。端齿盘实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直端面齿盘由于加工方便、定位精度高而最受欢迎。2.6.2 端齿盘的特点在分度定位装置中，一般用端齿盘作为其精定位元件。它具有以下优点： 分度精度高，可高达,实际分度误差等于所有齿单个分度误差的平均值。 精度的重复性和持久性好，重复定位精度可达。由于工作时相当于上下齿盘在不断地对研，因此使用越久，分度精度的重复性也就越好，而且精度有可能提高。 刚性好，因所有齿面同时参加啮合，不论承受的是切向力、径向力还是轴向力，整个分度装置形成一个良好的刚性整体。 结构紧凑，使用方便，这一点比其它高精定的分度装置更为突出。 维护简便，多次拆装不影响其原有的精度。基于端齿盘的用途和优点，所以在本设计中选用直端齿盘作为自动换刀系统的定位元件。2.6.3端齿盘主要参数的设计计算 齿数Z的确定可根据定位要求，即需要的强度和精度来确定，并结合生产条件，齿数。 端齿盘外径主要由设计结构所允许的空间范围来确定。在结构允许的情况下，外径越大，分度或定位机构的稳定性越好。根据刀盘和主轴的尺寸确定外径为。 端齿盘齿形角选取时应考虑作用在端齿盘上的负荷力矩及锁紧力的大小，如图2.7所示。将作用于齿盘上每齿的切向外力和轴向锁紧力沿着齿面方向进行分解，如图2.8所示，应满足以下条件图2.7 端齿盘受力图 图2.8 齿面上的切向外力和轴向锁紧力而，则不等式变为即图2.9 端齿盘剖视图最后得到16 式(2.6)从式（2.6）可以说明，在外载不变时，齿形角越小，所需自锁力越小，即自变锁性越强，但齿相应深，齿厚变小；齿形角越大，需要的锁紧力也越大，即承受外转矩的能力下降，但齿高变低，端齿啮合的高度下降，结构紧凑；同时也说明了加大外径有利于提高端盘的承载能力。图2.10 单齿俯视示意图 图2.11单齿周向展开示意图在选取时齿形角时，应综合考虑作用在端齿盘上的负荷及锁紧力的大小，同时受齿形加工刀具的限制，现已标准化，通常取、等。本设计取齿形角。 齿根角（啮合斜角）为了保证在齿宽方向上的啮合质量,加工端齿时必须调整分度盘回转中心线和工作台面倾斜角,即齿根或啮合斜角 ,以保证齿盘大端和小端的齿厚与齿槽宽度相等。由式齿数得在图2.10直角三角形中，则在图2.11直角三角形中，则在图2.12直角三角形中将代入此式得：图2.12 齿面面啮合剖面示意图16 式(2.7)式（2.7）即为齿根角的计算公式。所以得 最大齿距（周节）和最大齿厚齿厚沿着径向向中心逐渐缩小，在沿圆周展开方向上（如图2.13所示），根据圆周计算公式，最大齿距（周节）和最大齿厚分别为 图2.13 沿周向展开的齿面三角形 齿顶高及啮合高度齿顶高就是啮合平面到齿顶的最大距离，在如图2.13所示的由齿廓展开图形成的直角三角形中，而齿顶高通常取三角形高度的，即，得到齿顶高的计算公式为16 式(2.9)上下端齿的啮合高度为，端齿在旋转时的脱齿高度应大于啮合高度，则取活塞轴向移运距离为。 齿宽（径向）因所有的端齿同时啮合，故一般不必通过增加齿形的径向宽度来增加强度，一般根据经验选取，通常取常在范围内。 齿底槽宽和齿顶宽为了保证齿盘工作时各个端齿能很好的啮合，常在齿底加工一定宽度和深度的槽，即齿底槽，并将齿顶做成一定宽度的小平面，如图2.13所示。齿底槽宽常取齿底槽的作用是：a. 加工齿形时的退刀槽；b. 啮合时齿顶不会碰到齿底，同时还可容纳落入啮面的脏物，保证齿面啮合质量；c. 使每个端齿在啮合过程中产生一定的弹性，啮合时先接触的齿产生弹性退让变形，使啮合面积增大，有利于进一步提高分度精度。2.6.4 螺栓组强度校核在自动换刀系统中主要是端齿盘承受切削力，所以固定端齿盘的螺栓需进行强度校核。另外联结刀盘与主轴的螺栓也要承受较大的预紧力，所以也需进行强度校核。端齿盘与刀盘的联结均采用普通螺栓组联结，选择螺栓的性能等级为4.8，螺栓的的型号为，由7查得其最小直径为。由6查得屈服极限为320，即。每组螺栓的数目为6个，靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为F，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。为阻止接合面发生相对转动，各摩擦力应与各螺栓的轴线到螺栓组对称中心的连线相垂直。根据作用在底板上的力矩平衡及联接强度的条件，应有即 6 式(2.10)式中：接合面的摩擦系数；由14查得为0.15； 为螺栓到圆心的距离； 螺栓数目为6； 防滑系数为1.2； 端齿盘螺栓强度的校核将数据代入式2.10得由强度校核公式得端齿盘螺栓强度服合要求。 刀盘螺栓强度的校核将数据代入式2.10得由强度校核公式得刀盘螺栓强度服合要求。2.7 液压缸的结构及主要尺寸的设计根据自动换刀系统的形式及液压缸的安装方式确定液压缸的结构。其结构为圆柱形，中间开孔安装刀盘主轴。考虑到液压缸的制造和安装的方便，将液压缸制成可拆分的结构，其配合处用密封圈密封。根据经验，取液压缸的壁厚为，由于液压缸要用螺栓联结在自动换刀的箱体上，所以其螺纹联结处的壁厚要增加，取其壁厚为。为便于液压油的进入，在液压缸的左端及活塞的左端设计一凸台。考虑到液压缸的尺寸大小及进油等情况取油口的尺寸为。由于无法直接形成弯曲的油孔，所以必须钻一通孔，孔的外部用沉头螺钉堵孔，螺钉的型号为，其长度为。液压缸结构图如下：图2.14 液压缸示意图2.8 箱体的基本形状及尺寸的确定由于箱体的左端要承受切削力，所以根据经验取其壁厚为。其余壁所受的力较小，参考其它换刀系统的箱体的设计，取其壁厚为。考虑到内部各零件的尺寸及安装情况，取箱体的长度为、宽度为、高度为。为便于箱体中零件的安装方便，右端采用可拆分的盖板通过螺栓联结，由于其上还要安装液压马达，所以其厚度应相应的增加，取其厚度为。刀盘的压紧采用的是液压缸压紧的方式，所以要在箱体上钻油孔，充分考虑换刀的速度及参照其它的换刀系统油孔的直径，取其直径为。油孔的布置为垂直于安装平面向下打通孔，将油路布置在换刀系统的下方。安装平面要进行机械加工，为了减少加工的工作量，应在安装面上开槽，所以其厚度也应增加为。考虑到要在安装平面上布置油路且油管的直径为，所以开槽的深度为，槽的宽度为（具体尺寸见零件图）。2.9 液压马达及接近开关的选择2.9.1 液压马达的选择根据14轴向柱塞马达知其结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，转速较高负载大，有变速要求，负载转矩较小，低速平稳性要求高。轴向柱塞马达主要应于起重机、铰车、内燃机、数控机床、行走机械等。由于其有以上这些优点，所以在换刀系统的设计中选用向柱塞马达。结合本设计的具体情况选择向柱塞马达的型号为。其基本参数如下：几何排量 10.55最高转速 3600最低稳定转速 100加速度 2 最高工作压力 20.7最大输出转矩 31重量 52.9.2 接近开关的选择换刀系统接近开关的选择主要取决于换刀系统的结构、尺寸及检测精度。根据换刀系统的以上要求选择接近开关的型号为LB08-2K。其主要参数如下：基本尺寸 M5检测距离 0.8mm20%设定距离 00.5mm回差值 不大于检测距离的10%标准检测体 551铁工作电压 10-3VD响应频率 1000Hz温度范围 在-25到+70范围内耐压 1500VAC 50/60Hz 一分钟 抗振动 10-55Hz（周期每分钟）复振幅1mm2.10 润滑剂的选择 由于自动换刀系统在工作时受力不大且不是长时间工作，所以轴承和齿轮都选择脂润滑。根据14查得润滑脂的型号如下：轴承润滑脂采用滚动轴承脂，标准号SH0386-1992，锥入度250-290、滴点不低于120度，主要用于汽车、机车、电机及其它机械的滚动轴承润滑。齿轮润滑脂采用7903号耐油密封润滑脂，标准号SH0011-1990，锥入度55-70、滴点不低于250度，适用于-10-150度范围的各种机械设备、机床变速箱等。2.11 压力油的要求在安装自动换刀系统时为了确保端齿盘有充分的夹紧力，进入换刀系统液压缸的压力油的压力必须达到一定的值。由于在切削时端齿盘所须的压力为，液压缸活塞与压力油接触的面积为。压强为，所以液压系统所提供的压力油的压力必须大于。为了保证换刀的快速性，必须使进入液压缸的压力油有较快的速度。液压缸的体积大约为，且由于油管的直径为。要使活塞在内移动到位，进入液压缸的压力油的速度为。所以进入液压缸的压力油的速度应大于。3 PLC控制硬件设计3.1 换刀系统的工作原理 要对数控换刀系统进行控制，首先要对换刀系统的换刀过程有充分的了解。根据前面确定的尺寸画出刀架结构示意图如下：图3.1 刀架结构示意图如图3.1所示,该回转刀架的夹紧与松开、刀盘的转位均由液压系统驱动，PLC顺序控制来实现。10是安装刀具的刀盘，它与刀架主轴5固定连接。当刀架主轴5带动刀盘旋转时，其上的鼠牙盘12和固定在刀架上的鼠牙盘9脱开，旋转到指定刀位后，刀盘的定位由鼠牙盘的啮合来完成。活塞8支承在一对推力轴承6和11及滚针轴承7上，它可以通过推力轴承带动刀架主轴移动。当接到换刀指令时，活塞8及轴5在压力油的推动下左移动，当左移到位后接近开关PRS5确认并向系统发出信号，左移停止。这样使鼠牙盘12与9脱开，液压马达2启动带动平板共轭分度凸轮1转动，经齿轮3带动刀架主轴及刀盘旋转。刀盘旋转的准确位置，通过接近开关PRS1、PRS2、PRS3、PRS4的通断组合来检测确认。当刀盘旋转到指定的刀位后，向数控系统发出信号，指令液压马达停转，这时压力油推动活塞8向右移动，使鼠牙盘12和9啮合，刀盘被定位夹紧后压力继电器向数控系统发出信号，于是刀架的转位换刀循环完成。在机床自动工作状态下，当接收到换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断, 实现刀盘就近转位换刀，即刀盘可正转也可反转。但当手动操作机床时，从刀盘方向观察，只允许刀盘逆时针转动换刀。3.2 PLC简介可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程序控制器是一种面向生产过程控制的数字电子装置，它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等特点。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。3.2.1 PLC的分类 根据1/0点数分类PLC的输入、输出点数表明PLC可以从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量。实际上也就是PLC的输入、输出端子数。一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。1) I/0点数(总数)在256点以下的称为小型机，一般只有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，适用于开关量的控制，可用它实现条件控制、定时/计数控制、顺序控制等。有些小型机，如OMRON的P型机、三菱的Fl系列PLC、西门子的S7系列PLC等增加了一些算术运算和模拟量处理功能，以适应更广泛的需要。2) I/0 点数在256点至1024点之间的，称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量处理、算术运算、数据传送、数据通讯等功能，可完成既有开关量、又有模拟量的复杂控制。3) I/0 点数在1024点以上的称为大型机，其功能更加完善，具有数据处理、模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印等功能，可以进行中断控制、智能控制、远程控制等，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集成系统。 根据结构、形状分类从结构和形状上看，PLC可分为整体式和模块式两种。一般的小型机多为整体式结构。这种结构 的PLC，其电源、CPU。I /0部件等都集中配置在一起，有的甚至全部装在一块印刷电路板上，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产设备的单机控制。整体式PLC的缺点是主机的I/0点数固定，使用不够灵活，维修也不方便。模 块式 结 构的PLC各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块及其它高机能模块等。这种PLC通常由机架底板联结各模块(也有的PLC为串行联接，没有底板)，底板上有苦干插座，使用时，各种模块直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配置灵活、装配方便、易于扩展，可根据控制要求灵活配置各种模块，构成功能不同的各种